一种MEMS惯性组合测量模块的制作方法

本实用新型涉及MEMS惯性组合导航技术领域，更具体地，涉及一种MEMS惯性组合测量模块。

背景技术：

目前，MEMS惯性传感器被广泛应用于航空、航天、航海、汽车工业、机器人及消费电子产品等领域。MEMS惯性传感器主要包括 MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，用于测量载体的角速度和加速度。

按照精度划分，MEMS惯性传感器可分为低精度和中高精度。低精度MEMS惯性传感器依靠其超高的集成度设计，将三轴陀螺仪、三轴加速度计封装在一个单体芯片内，体积不到十立方毫米，广泛用于手机、可穿戴设备等消费类电子产品。但低精度MEMS惯性传感器的测量误差及噪声非常大，尤其在温湿度变化范围大，振动剧烈，电磁环境复杂的特殊行业应用领域，精度误差会呈指数级发散，甚至损坏。中高精度MEMS惯性传感器相比低精度传感器体积大，单芯片只集成一个或两个测量轴，需要通过特殊的安装形式组成惯性测量单元，同时需要更复杂的外围电路。随着航空、航天、航海、汽车工业、机器人等运动载体的小型化发展，例如小型无人机、微型机器人，对载荷的重量要求不足百克，对微小型惯性测量设备的小型化、轻量化、高精度提出了更高要求。

惯性组合导航系统以惯性导航系统为主，其原因主要是由于惯性导航能够提供全面的导航参数，即高动态的位置、速度、姿态信息，这是其他导航系统所不能比拟的。但是惯性导航定位误差随时间积累，尤其是MEMS惯性传感器误差大，使得MEMS惯性导航系统无法作为独立的导航方式，位置、速度短时间内发散剧烈，必须通过其他传感器进行信息融合，利用多种信息源，互相补充，对误差进行辅助修正，构成多余度、导航精度更高的惯性组合测量系统。

现有的惯性组合测量系统，都是将惯性测量单元单独设计，惯性处理板需要安装在额外的支架、金属机械加工结构上，通过机械加工的水平度、垂直度精度要求，以期望保证测量轴的正交性和安装方便，即使使用低密度的轻质金属材料，也会带来几百克的额外重量。而组合导航需要的辅助传感器设备，无法与惯性测量单元融为一体化设计，带来额外的空间浪费。传统设计思路的MEMS惯性组合测量模块已经无法满足对小型化、轻量化的实际需求。

现有技术中，MEMS惯性组合测量模块的设计形式，主要存在以下缺点：

1、不论采用何种形式的安装支架、机械台体，都会大大增加MEMS 惯性测量单元的重量和体积，同时给装配带来复杂性，严重制约了进一步小型化、轻量化发展；

2、由于采用特殊结构的机械加工装置，MEMS惯性测量单元无法与组合导航需要的辅助传感器进行一体化设计，不利于突破有限空间的约束，无法形成完整的一体化组合导航参数测量模块。

技术实现要素：

本实用新型提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的MEMS惯性组合测量模块。

根据本实用新型的一个方面，提供一种MEMS惯性组合测量模块，包括通过设置在电路板平面直角处的多个固定装置进行层叠固定的 MEMS惯性测量单元电路板和辅助信息测量单元电路板；

所述MEMS惯性测量单元电路板包括X轴惯性处理板、Y轴惯性处理板和Z轴惯性处理板；

所述辅助信息测量单元电路板和所述MEMS惯性测量单元电路板之间通过接插件插座与接插件插针进行电路连接。

进一步，所述MEMS惯性测量单元电路板的一侧设置有第一凹槽，与第一凹槽垂直的另一侧设置有第二凹槽；

所述X轴惯性处理板通过卡接的方式安装于第一凹槽处，所述Y 轴惯性处理板通过卡接的方式安装于第二凹槽处；

所述Z轴惯性处理板设置在所述MEMS惯性测量单元电路板平面上；

所述X轴惯性处理板、Y轴惯性处理板和Z轴惯性处理板在三维空间X、Y、Z方向互相垂直正交。

本申请提出MEMS惯性组合测量模块，通过特殊设计的电路板形式，有效地解决了惯性测量单元的安装问题，可以省去安装支架或安装台体，极大地减小了重量和体积；垂直安装的惯性处理板充分利用了接插件安装的叠层间隙，进一步降低了整体高度和底层电路板面积，通过与辅助传感器电路板的一体化设计，实现了完整的组合导航参数测量。

附图说明

图1为本实用新型MEMS惯性组合测量模块示意图；

图2为本实用新型MEMS惯性测量单元电路板/Z轴惯性处理板示意图；

图3为本实用新型辅助信息测量单元电路板示意图；

图4为本实用新型辅助信息测量单元电路板主视、平视、侧视、左前俯视示意图，其中图4a为主视图，图4b为平视图，图4c为侧视图、图4d为左前俯视图；

图5为本实用新型MEMS惯性测量单元电路板/Z轴惯性处理板主视、平视、侧视、左前俯视、右后俯视示意图，其中，图5a为主视图，图5b为平视图，图5c为侧视图、图5d为左前俯视图、图5e为右后俯视图；

图6为本实用新型X轴惯性处理板的主视、平视、侧视、左前俯视示意图，其中，图6a为主视图，图6b为平视图，图6c为侧视图、图6d为左前俯视图；

图7为本实用新型Y轴惯性处理板的主视、平视、侧视、左前俯视示意图，其中，图7a为主视图，图7b为平视图，图7c为侧视图、图7d为左前俯视图。

附图标记说明

1、MEMS惯性测量单元电路板，2、辅助信息测量单元电路板，3、固定装置，11、X轴惯性处理板，12、Y轴惯性处理板，13、Z轴惯性处理板，111、X轴MEMS惯性传感器，121、Y轴MEMS惯性传感器， 131、Z轴MEMS惯性传感器，14、X轴焊盘，15、Y轴焊盘，16、Z 轴焊盘，21、GNSS接收机，22、磁力计，23、气压计，10、接插件插针，20、接插件插座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在现有技术方案中，通过设计安装支架或者机械加工台体的方式，将焊接有MEMS惯性传感器的电路板安装在设计好的支架或台体上，用以保证测量轴的正交垂直。

而实际情况是，MEMS惯性传感器作为单个封装体，其测量轴与封装焊接面就存在一个安装偏角，安装偏角的大小与MEMS器件厂家的生产工艺相关，差别较大。其次，MEMS惯性传感器在焊接到电路板的过程中，焊接工艺的不同也会造成测量轴与电路板安装平面的安装偏角，综合下来，安装偏角最大可达1°～2°。所以，通过精密加工的安装支架或台体来保证测量坐标系精度的方式并不科学，同时带来了额外的设计复杂度、重量和体积的变大，安装后仍然需要标定设备对安装偏角进行补偿。

本实用新型从改良安装方式和优化体积重量两个方面入手，并与辅助传感器测量单元一体化设计，提供了超紧凑型MEMS惯性组合测量模块，并实现了完整的组合导航参数测量方案。

如图1所示，一种MEMS惯性组合测量模块示意图，包括通过设置在电路板平面直角处的多个固定装置3进行层叠固定的MEMS惯性测量单元电路板1和辅助信息测量单元电路板2；

所述固定装置3可以是螺丝装置；在本实施例中固定装置的数量是3个。

所述MEMS惯性测量单元电路板1包括X轴惯性处理板11、Y 轴惯性处理板12和Z轴惯性处理板13；

如图2、3、4所示，所述辅助信息测量单元电路板2和所述MEMS 惯性测量单元电路板1之间通过接插件插座20与接插件插针10进行电路连接。

所述接插件插座20可以安装在所述MEMS惯性测量单元电路板 1，也可以安装在所述辅助信息测量单元电路板2上，与接插件插座20 配合使用接插件插针10则相应的安装在不同的电路板上。

如图5所示，所述MEMS惯性测量单元电路板1的一侧设置有第一凹槽，与第一凹槽垂直的另一侧设置有第二凹槽；

为保证安装方便又不损失安装精度，所述第一凹槽的宽度与第二凹槽的宽度与电路板厚度相等，或者大于电路板厚度不超过0.15mm。

所述X轴惯性处理板11通过卡接的方式安装于第一凹槽处，所述 Y轴惯性处理板12通过卡接的方式安装于第二凹槽处；

所述Z轴惯性处理板13设置在所述MEMS惯性测量单元电路板1 平面上；图2、图5所述MEMS惯性测量单元电路板1即为Z轴惯性处理板13；

所述X轴惯性处理板11、Y轴惯性处理板12和Z轴惯性处理板 13在三维空间X、Y、Z方向互相垂直正交。

如图6所示，所述X轴惯性处理板11包括X轴电路板和设置于X 轴电路板上的X轴MEMS惯性传感器111；

所述X轴惯性处理板11在相对的两侧分别设置有X轴凹槽，所述X轴凹槽与所述MEMS惯性测量单元电路板1的电路板具有相同宽度，宽度差小于预定误差；所述X轴凹槽垂直卡接于所述第一凹槽内；

所述X轴凹槽周围分布有焊盘，通过焊接的方式与所述MEMS惯性测量单元电路板1上的X轴焊盘14进行电路连接。

如图7所述，所述Y轴惯性处理板12包括Y轴电路板和设置于Y 轴电路板上的Y轴MEMS惯性传感器121；

所述Y轴惯性处理板12在相对的两侧分别设置有Y轴凹槽，所述Y轴凹槽与所述MEMS惯性测量单元电路板1的电路板具有相同宽度，宽度差小于预定误差；所述Y轴凹槽垂直卡接于所述第二凹槽内；

所述Y轴凹槽周围分布有焊盘，通过焊接的方式与所述MEMS惯性测量单元电路板1上的Y轴焊盘15进行电路连接。

如图2所示，所述Z轴惯性处理板13包括Z轴MEMS惯性传感器131，通过焊接的方式与所述MEMS惯性测量单元电路板1上的Z 轴焊盘16进行电路连接。

所述X轴惯性处理板11超出所述MEMS惯性测量单元电路板1 的顶面高度，低于层叠高度；所述Y轴惯性处理板12超出所述MEMS 惯性测量单元电路板1的顶面高度，低于层叠高度。

所述X轴MEMS惯性传感器111、Y轴MEMS惯性传感器121 和Z轴MEMS惯性传感器131分别包括MEMS陀螺仪和/或MEMS加速度计。

以上描述了所述X轴惯性处理板11、Y轴惯性处理板12和Z轴惯性处理板13在三维空间X、Y、Z方向互相垂直正交的具体安装及连接方法，垂直安装的X轴惯性处理板11、Y轴惯性处理板12超出Z 轴惯性处理板13底面的高度并低于所述MEMS惯性测量单元电路板和辅助信息测量单元电路板的叠层高度。

在实施时，加厚电路板厚度，保证安装具有足够的刚度、强度和硬度。同时，根据安装电路板的器件布局，最大限度地减小尺寸。

如图2、3所示，还包括设置于所述MEMS惯性测量单元电路板1 上或者设置于所述辅助信息测量单元电路板2上的GNSS接收机21、磁力计22和气压计23中的一种或几种。

GNSS接收机21、磁力计22和气压计23既可以设置在MEMS惯性测量单元电路板上，也可以设置在辅助信息测量单元电路板上，可以包含其中的一种、两种或三种的任意组合。

如图3、4所示，所述辅助信息测量单元电路板2的一侧呈L形内凹，几何尺寸上小于所述MEMS惯性测量单元电路板1；所述辅助信息测量单元电路板2和所述MEMS惯性测量单元电路板1通过接插件进行电路连接，相对且叠层的安装，安装后的组合体在高度上增加，其外延由MEMS惯性测量单元尺寸决定。

本实用新型所述的一种MEMS惯性组合测量模块，其核心部分为 MEMS惯性测量单元，主要包含三只MEMS陀螺仪和/或三只MEMS 加速度计，用于测量三维空间的角速度和加速度。理想安装情况下，三只MEMS陀螺仪的测量轴相互垂直，三只MEMS加速度计的测量轴相互垂直，构成正交垂直的XYZ测量坐标系。

所述MEMS惯性组合测量模块作为一个完整独立的工作系统，所述MEMS惯性测量单元电路板1及所述辅助信息测量单元电路板2分别还包括用于数据采集和导航运算的嵌入式主控计算机、信号调理电路和/或其他外围电路。

本实用新型的结构形式，仅通过电路板的特殊安装形式就实现了垂直板与底板的连接、固定和通讯，用结构简单、成本低廉的方式有效地解决了在微小面积、超低高度要求下高精度安装固定问题。正是因为所优选的结构形式，才能将MEMS惯性测量单元与辅助传感器进行一体化设计，提供了一种完整的MEMS惯性组合测量模块方案。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。